[发明专利]一种连续变量量子密钥分发残余误码纠错方法及系统

说明书

本发明提供了一种连续变量量子密钥分发残余误码纠错方法及系统，基于连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，基于连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，经连续变量量子密钥分发系统译码完成后，判断译码后的码元比特是否需要进行纠正；若需要则设定门限值，对译码后变量节点LLR值的绝对值进行判断，若小于等于门限值，则将该变量节点译码后的码元比特确定为错误比特，并记录错误比特对应于校验矩阵的所在的列下标，对记录的列下标对应的码元比特执行纠错过程。本发明能够有效去除残余误码，降低译码后的FER，显著提升译码精度。

技术领域

本发明涉及量子密钥领域，特别涉及一种连续变量量子密钥分发残余误码纠错方法及系统。

背景技术

本发明涉及随着量子物理和量子信息论的发展,建立在量子力学原理基础上的量子密码学已经被证明能够提供信息论意义上的安全。其关键的一步是通过量子技术实现通信双方的安全密钥共享，该过程被称为量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)。QKD主要包括离散变量和连续变量两大技术途径，其中连续变量量子密钥分发(ContinuousVariable Quantum Key Distribution,CV-QKD)采用光场的正交分量作为信息的载体，中短传输距离内安全码率高，且可与传统光通信的大部分器件通用，是量子密钥分发技术的重要发展方向。

CV-QKD系统包括量子信息的产生、传输、探测和数据后处理，其整体框图如图1所示。发送端(Alice)首先通过量子信道向接收端(Bob)发送量子信号，Bob对信号进行探测接收。然后通过经典信道上的数据后处理过程，Alice和Bob得到一致的安全密钥。数据后处理是获取安全密钥必不可少的重要步骤，显著影响系统整体的安全性和密钥生成速率。CV-QKD系统数据后处理的流程图如图2所示，其主要步骤如下：

(1)基对比——Bob将探测信号时采用的测量基数据发送给Alice，Alice接收该数据后选出基选择一致的正交分量，基比对完成后Alice和Bob得到了一组关联的原始密钥。

(2)参数估计——Alice和Bob需要从原始密钥中随机选出部分数据来进行参数估计，从而计算出部分系统关键参数，并判断是否继续此轮次量子密钥分发。

(3)数据协商——除去做参数估计的剩余数据进入数据协商，通过一定的协商算法将连续数据离散化，从而进行误码纠错。

(4)误码纠错——目前误码纠错常用的纠错码为多边类型LDPC码，通过对接收到的数据不断的迭代译码完成纠错，然后Alice和Bob得到了一串完全相同的二进制比特序列。

(5)私钥放大——将误码纠错后得到的一串完全相同的二进制比特序列进行压缩，以去除其中被窃听者获取的部分信息，从而使密钥达到信息论的安全性。

在上述数据后处理过程中，误码纠错步骤是关键。CV-QKD系统工作在低信噪比条件下，需要低码率、长码长的纠错码。但低码率、长码长的限制条件使得LDPC码的译码矩阵很大，译码速度很慢，从而影响了系统安全密钥的产生速率。为了提高译码速度，在算法上通常采用分层译码算法，与传统的译码算法相比，其只需要一半的迭代次数就可以达到相同的译码性能。此外，在实现算法的硬件选择上，由于CV-QKD纠错译码的计算量大，通常采用GPU实现。然而，GPU的体积较大、功耗高，制约了CV-QKD的应用场景。FPGA体积和功耗小，可以并行运算，可实现高效纠错译码。

然而，由于FPGA外部存储DDR的读写速度不能满足高速译码的需求，所以在译码过程中的数据需要使用FPGA的片上存储资源来存储。在FPGA中，通常采用一个定点数来表示数值(定点数的位宽越大，表示的数值越精确)，而FPGA的片上存储资源有限，这就限制了译码过程中数据的定点数位宽，使得数值表示不够精确，导致译码后存在残余误码，不能满足CV-QKD在误码纠错后要得到完全一致的二进制比特序列的要求，帧错误率(Frame ErrorsRate,FER)很高，最终导致系统实际安全码率受限。

发明内容